葡萄糖糖基化改性乳清蛋白成膜性研究

宋彥顯,李勝強,閔玉濤

(鄭州工程技術學院 化工食品學院,河南 鄭州 450044)

可食性薄膜由多糖、蛋白質、脂質或它們的混合物制成,相比多糖或脂質基薄膜,蛋白膜的功能特性更加廣泛和多樣。乳清蛋白具有較好的凝膠性,其成膜性能也比較好,且可生物降解,在生物基食品包裝材料中應用廣泛,但由于乳清蛋白中含有較高比例的親水基團,單一乳清蛋白膜的機械強度較低,水蒸氣阻隔性能較差,限制了其在食品包裝領域的應用。蛋白質糖基化改性可強化分子間的作用力,促使其形成更致密均勻的網絡結構,天然蛋白的溶解性、流變性、乳化性、起泡性、凝膠性、成膜性、熱穩定性、抗氧化活性、致敏性和抗菌性等功能都得到改善[1-3]。因蛋白質糖基化產物可賦予新性能,也常用于改善蛋白膜性能。[4-8]本文以乳清蛋白為原料,以葡萄糖為修飾劑,對其濕法糖基化改性,并制備葡萄糖糖基化乳清蛋白可食性膜,對膜的透明度、厚度、機械強度進行表征,以膜的拉伸強度和斷裂伸長率為考察指標,優化糖基化工藝,以期為蛋白基薄膜的工業化生產提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳清分離蛋白(WPI,蛋白質>90%)：美國 Hilmar 公司;葡萄糖：分析純,國藥集團化學試劑有限公司;丙三醇、氫氧化鈉：分析純,國藥集團化學試劑有限公司。其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TA.XT PLUS物性測定儀：英國Stable Micro Systems公司;0-10X30數顯千分測厚規：浙江德清盛泰芯電子科技有限公司;Ci7600色度儀：美國愛色麗(上海)色彩科技有限公司;S-3400N掃描電子顯微鏡：日本日立公司;CS-820分光測色儀器：中國杭州彩譜科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 乳清蛋白-葡萄糖糖基化可食性膜的制備

取一定量乳清蛋白、葡萄糖,加至50 mL蒸餾水,充分攪拌均勻,特定溫度下加熱60 min,再加入甘油,混合均勻,取10 mL于平板上流延成膜, 30 ℃恒溫箱中保溫24 h后,揭膜,放入58%濕度的恒濕箱中回軟備用。

1.3.1.1 甘油用量的優化

在pH 9.0,90 ℃,9 %乳清蛋白,3.2%葡萄糖條件下,反應60 min,分別添加甘油1,1.5,2g,混勻,取10 mL于平板上流延成膜,通過對膜的性能評價,選擇出最適的甘油用量。

1.3.1.2 乳清蛋白濃度的優化

在pH 9.0,90 ℃,9 %乳清蛋白,3.2%葡萄糖條件下,分別取8%,9%的乳清蛋白,反應60 min后,分別添加1.5g甘油,混勻,各取10 mL于平板上流延成膜,通過對膜的性能分析,選擇出最適的乳清蛋白濃度。

1.3.1.3 葡萄糖濃度的優化

在8%乳清蛋白,pH 9.0, 90 ℃條件下,葡萄糖的濃度分別取3.2%,4.0%,4.8%,反應60 min,分別添加1.5g甘油,混勻,各取10 mL于平板上流延成膜,通過對膜的性能分析,選擇最適的葡萄糖濃度。

1.3.2 乳清蛋白-葡萄糖可食性膜成膜工藝優化

8%乳清蛋白,1.5g甘油條件下,對比分析pH、加熱溫度、葡萄糖濃度對乳清蛋白-葡萄糖可食性膜性能的影響,優化乳清蛋白-葡萄糖可食性膜成膜工藝。

1.3.3 可食性膜的性能測定

1.3.3.1 可食性膜厚度的測定

選取完整均勻的可食性膜,電子厚度測量儀測量厚度。根據薄膜樣品中5個不同位置處的測量值計算平均厚度。

1.3.3.2 可食性膜水溶性的測定

取可食性膜0.500g,置于40 mL蒸餾水中,24 h后用布氏漏斗抽濾,然后干燥至恒重,按式(1)計算乳清蛋白-可溶性淀粉可食性膜的水溶性。

(1)

式中,S為乳清蛋白-可溶性淀粉可食性膜的水溶性,%;m0為可食性膜的質量,g;m1為濾紙的質量,g;m2為濾紙和未溶解可食膜的質量,g。

1.3.3.3 可食性膜透光率的測定

將可食性膜裁為40mm×10mm的矩形,緊貼在比色皿的一側,以空比色皿作對照,在波長為500 nm處測定吸光度值,每種膜測3條取平均值。

1.3.3.4 可食膜機械性能的測定

參照穆凱宇等[9]的方法,略作改動。選取厚度均勻的膜樣品,裁成 1cm×6cm 的長條。質構儀的初始夾距設定為45 mm,拉伸速率設定為1 mm/s,測定拉伸強度和斷裂伸長率。拉伸強度按式(2)計算,斷裂伸長率按式(3)計算。

(2)

式中,Ts為拉伸強度,MPa;Fm為試樣斷裂時承受的最大張力,N;FT為膜厚度,mm;w為膜寬度,mm。

(3)

式中,E為所測膜的斷裂伸長率,%;L0為初測膜的長度,mm;L為膜斷裂時的長度,mm。

2 結果與分析

2.1 甘油用量及乳清蛋白濃度的優化

通過比較揭膜的難易程度,發現不加甘油,膜在平板上呈碎片式掀起。甘油用量為1 g時,形成的膜過薄,揭膜時容易破碎;甘油量為2 g時,容易黏平板,膜不易揭下;當甘油量為1.5 g時成膜性最好,能形成完整均勻的膜,且易揭,因此最優甘油用量為1.5g。8%和9%乳清蛋白制備出的膜的機械性能幾乎一致,乳清蛋白濃度為8%時,膜的厚度較薄。因此,選擇8%乳清蛋白制備可食膜。

2.2 乳清蛋白-葡萄糖可食性膜成膜工藝的優化

2.2.1 pH值對膜性能的影響

2.2.1.1 不同pH值對膜厚度的影響

8 %乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,90 ℃條件下,考察不同pH值對可食性膜厚度的影響。結果可得,pH8.0時膜厚度為0.134mm,pH10.0時膜厚度為0.128mm,pH在8.0～10.0之間時,隨著pH值的增大,膜厚度略有下降,但變化不大。pH值可改變蛋白質的結構,影響蛋白質的穩定性,對膜厚度一定影響。

2.2.1.2 不同pH值對膜透光率的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50mL,90℃條件下,考察不同pH值對可食性膜透光率的影響。結果可得,隨著pH值的增大,乳清蛋白-葡萄糖可食性膜透光率逐漸降低, pH 8.0時,透光率最高為97.83%,pH10.0時為,透光率最低93.53%。美拉德反應pH值越低,溶液中蛋白質分子的質子化氨基越多,因此獲得的蛋白質-多糖美拉德綴合物在初始階段越少,美拉德反應的中間體和最終產物隨反應pH增加而增加[10]。反應程度越高,最終產物越多,透光率越低。隨著pH值的增大,膜的顏色加深,且有白色物質附著在可食性膜表面,導致乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的透光率下降。

2.2.1.3 不同pH值對膜機械性能的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,90℃條件下,考察不同pH值對可食性膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響。以pH值為橫坐標,拉伸強度和斷裂伸長率為縱坐標作圖,如圖1所示。

圖1 不同pH值對乳清蛋白-葡萄糖可食性膜機械性能的影響

由圖1可知,pH值對葡萄糖接枝乳清蛋白膜機械性能影響效果顯著。隨著pH的增大,拉伸強度逐漸增加,斷裂伸長率先減小后增加。pH10.0時,拉伸強度和斷裂伸長率達到最大。增加pH有利于網絡結構的形成,在pH8.0-10.0范圍內,蛋白膜的拉伸強度隨著pH的增加,從2.63 MPa提高至3.43 MPa;斷裂伸長率也隨著pH增加而有所增加,并在pH10.0時達到最大26.1%。蛋白質堿性條件下巰基和疏水基團更多暴露,有利于新化學鍵的形成,蛋白膜的溶解度增加,膜的強度和延伸性均顯著增加。此外,pH的增加使美拉德反應加強,也使蛋白膜的機械性能增強[11]。但當pH進一步增加至11.0,延伸性急劇下降。這可能是因為pH過高時會導致分子間產生的過度交聯,使蛋白網絡變得緊密,延伸性急劇下降,同時,交聯過度會限制蛋白分子的活動性,導致蛋白膜的延伸性下降[12]。

綜合考慮乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的厚度、透光率、拉伸強度和斷裂伸長率,選擇pH10.0較為合適,在此條件下可食性膜的厚度為0.128mm,透光率為94.1%,拉伸強度和斷裂伸長率分別為3.43 MPa和26.1%。

2.2.2 溫度對膜性能的影響

2.2.2.1 不同溫度對膜厚度的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,pH 10.0條件下,考察不同溫度對可食性膜厚度的影響。結果可知,70～90℃范圍內,膜厚度從0.134下降到0.128mm,隨溫度的增加略有下降,但影響不大。

2.2.2.2 不同溫度對膜透光率的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,pH 10.0條件下,考察不同溫度對可食性膜透光率的影響?？芍獪囟葘θ榍宓鞍?葡萄糖可食性膜透光率的影響顯著。溫度越高,膜的顏色越深。隨著溫度的升高,透光率逐漸減小,溫度為70℃時,透光率最高為93.4%;溫度為90℃時,透光率最低為90.5%。反應溫度升高,底物溶解度提高,反應速率加快,反應程度提高,美拉德反應產物增多,從而影響膜的透光性。從70℃升高到90℃的過程中,隨著溫度的升高,蛋白質結構改變,適當變性,穩定的網狀結構被破壞。

2.2.2.3 不同溫度對膜機械性能的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50mL,pH10.0,考察不同溫度對可食性膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響。以溫度為橫坐標,拉伸強度和斷裂伸長率為縱坐標作圖,如圖2所示。

圖2 溫度對乳清蛋白-葡萄糖可食性膜機械性能的影響

由圖2可知,隨著溫度的升高,拉伸強度和斷裂伸長率逐漸增大。加熱溫度過低,不易成膜,無法形成均勻且完整的薄膜。加熱溫度超過70℃時,隨著溫度的升高,拉伸強度和斷裂伸長率不斷升高。升溫使蛋白質內能增加,且有利于蛋白質分子的伸展。蛋白質結構改變,變得松散且沒有秩序,分子內部的疏水性氨基酸側鏈殘基暴露出來,蛋白質分子通過二硫鍵、疏水鍵相互連接形成堅固的網狀結構,膜的機械性能增強。同時,溫度升高有利于美拉德反應的進行,從而進一步增強蛋白之間的相互作用,使蛋白膜的延伸性能得到提高。前期實驗表明當溫度為100℃,成膜性差,有很多顆粒,可能是高溫導致蛋白發生聚集所致。因此,選用 90℃為最適溫度,拉伸強度和斷裂伸長率分別為3.4 MPa和21.1%。

綜合考慮乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的厚度、透光率、拉伸強度和斷裂伸長率,選擇90℃為最適溫度,在此條件下可食性膜的厚度為0.128 mm,透光率為90.5%,拉伸強度和斷裂伸長率分別為3.4 MPa和21.1%。

2.2.3 葡萄糖濃度對膜性能的影響

2.2.3.1 不同葡萄糖濃度對膜厚度的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,pH 10.0,90℃條件下,考察不同葡萄糖濃度對可食性膜厚度的影響。以葡萄糖濃度為橫坐標,可食性膜厚度為縱坐標作圖,如圖3所示。

圖3 不同葡萄糖濃度對乳清蛋白-葡萄糖可食性膜厚度的影響

由圖3可得,乳清蛋白-葡萄糖可食性膜最厚為0.138 nm,最薄為 0.119 mm,由此可知,葡萄糖濃度的大小對可食性膜的厚度影響不大。葡萄糖分子較小,在乳清蛋白-葡萄糖美拉德反應體系中一般處于飽和狀態,對反應產物的形成影響不大。

2.2.3.2 不同葡萄糖濃度對膜透光率的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,pH 10.0,90℃條件下,考察不同葡萄糖濃度對可食性膜透光率的影響。以葡萄糖濃度為橫坐標,可食性膜透光率為縱坐標作圖,如圖4所示。

圖4 不同葡萄糖濃度對乳清蛋白-葡萄糖可食性膜透光率的影響

由圖4可得,透光率隨著葡萄糖濃度的增大而減小,膜透光率與美拉德反應的程度有關,一般來說,反應程度越高,透光率越低。不添加葡萄糖時,透光率最高為97.6。葡萄糖濃度為4.8%時,透光率最低為92.15%。此結果與膜顏色有關,隨著葡萄糖濃度的增加,美拉德反應產物越多,膜的顏色越深,導致膜的透光率越低。

2.2.3.3 不同葡萄糖濃度對膜機械性能的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50mL,pH10.0,90℃條件下考察不同溫度對可食性膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響。以葡萄糖濃度為橫坐標,拉伸強度和斷裂伸長率為縱坐標作圖,如圖5所示。

圖5 不同葡萄糖濃度對乳清蛋白-葡萄糖可食性膜機械性能的影響

由圖5可知,斷裂伸長率隨葡萄糖濃度的增大先增大后減小,當葡萄糖濃度為4%時,斷裂伸長率最大為22.7%。隨著葡萄糖濃度的升高,反應體系中蛋白質與葡萄糖相互碰撞的幾率增大,兩者接枝度增大,膜結構更加緊密,斷裂伸長率也隨之升高。但葡萄糖濃度進一步提高,蛋白和糖分子過度的交互作用反而限制了蛋白的流動性,致膜的延伸性下降。葡萄糖對乳清蛋白糖基化改性后,拉伸強度隨著葡萄糖濃度的增大而增大,當葡萄糖濃度為4%時拉伸強度最大為2.76 MPa,這是由于在糖基化反應過程中,蛋白質分子鏈上的氨基與還原糖的醛基接合,逐漸形成了更加穩固的網絡結構[13]。綜合考慮,拉伸強度和斷裂延伸率,選擇葡萄糖濃度為4%。

綜合考慮乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的厚度、透光率、拉伸強度和斷裂伸長率,選擇葡萄糖濃度為4 %,在此條件下可食性膜的厚度為0.119 mm,透光率為94.76 %,拉伸強度和斷裂伸長率分別為2.76 MPa和22.7%。

3 結論

pH值、溫度及葡萄糖濃度對葡萄糖-乳清蛋白膜厚度影響非常小,透光率隨糖基化程度的增加而下降,膜厚度變化較小;在最優條件甘油1.5 g,pH 10.0,90℃,4.0 %葡萄糖下,制備的葡萄糖-乳清蛋白膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別是原乳清蛋白膜的1.72倍和1.91倍,葡萄糖糖基化修飾可顯著改善乳清蛋白膜的機械性能,可進一步對果蔬涂膜包裝測試,開發新型可食包裝膜。